A computação quântica tem o potencial de revolucionar a tecnologia, Medicina, e ciência, fornecendo processadores mais rápidos e eficientes, sensores, e dispositivos de comunicação.

Mas a transferência de informações e a correção de erros dentro de um sistema quântico continua sendo um desafio para fazer computadores quânticos eficazes.

Em um artigo no jornal Natureza , pesquisadores da Purdue University e da University of Rochester, incluindo John Nichol, um professor assistente de física, e Rochester Ph.D. alunos Yadav P. Kandel e Haifeng Qiao, demonstrar seu método de retransmissão de informações, transferindo o estado dos elétrons. A pesquisa traz os cientistas um passo mais perto de criar computadores quânticos totalmente funcionais e é o exemplo mais recente da iniciativa de Rochester para entender melhor o comportamento quântico e desenvolver novos sistemas quânticos. A Universidade recebeu recentemente uma bolsa de US $ 4 milhões do Departamento de Energia para explorar materiais quânticos.

Computadores quânticos

Um computador quântico opera nos princípios da mecânica quântica, um conjunto único de regras que governam na escala extremamente pequena de átomos e partículas subatômicas. Ao lidar com partículas nessas escalas, muitas das regras que governam a física clássica não se aplicam mais e surgem efeitos quânticos; um computador quântico é capaz de realizar cálculos complexos, fator de números extremamente grandes, e simular o comportamento de átomos e partículas em níveis que os computadores clássicos não conseguem.

Os computadores quânticos têm o potencial de fornecer mais informações sobre os princípios da física e da química, simulando o comportamento da matéria em condições incomuns no nível molecular. Essas simulações podem ser úteis no desenvolvimento de novas fontes de energia e no estudo das condições de planetas e galáxias ou na comparação de compostos que podem levar a novas terapias medicamentosas.

"Você e eu somos sistemas quânticos. As partículas em nosso corpo obedecem à física quântica. Mas, se você tentar calcular o que acontece com todos os átomos do nosso corpo, você não pode fazer isso em um computador normal, "Nichol diz." Um computador quântico poderia facilmente fazer isso. "

Os computadores quânticos também podem abrir portas para pesquisas e criptografia mais rápidas em bancos de dados.

"Acontece que quase toda a criptografia moderna é baseada na extrema dificuldade de computadores normais para fatorar grandes números, "Nichol diz." Computadores quânticos podem facilmente fatorar grandes números e quebrar esquemas de criptografia, então você pode imaginar por que muitos governos estão interessados ​​nisso. "

Bits vs. qubits

Um computador normal consiste em bilhões de transistores, chamados bits. Computadores quânticos, por outro lado, são baseados em bits quânticos, também conhecido como qubits, que pode ser feito de um único elétron. Ao contrário dos transistores comuns, que pode ser "0" ou "1, "qubits podem ser" 0 "e" 1 "ao mesmo tempo. A capacidade dos qubits individuais de ocupar esses" estados de superposição, "onde eles estão simultaneamente em vários estados, está na base do grande potencial dos computadores quânticos. Assim como computadores comuns, Contudo, computadores quânticos precisam de uma maneira de transferir informações entre qubits, e isso apresenta um grande desafio experimental.

"Um computador quântico precisa ter muitos qubits, e eles são realmente difíceis de fazer e operar, "Nichol diz." O estado da arte agora é fazer algo com apenas alguns qubits, portanto, ainda estamos muito longe de realizar todo o potencial dos computadores quânticos. "

Todos os computadores, incluindo computadores regulares e quânticos e dispositivos como smartphones, também tem que realizar a correção de erros. Um computador normal contém cópias de bits, portanto, se um dos bits estragar, "o resto vai apenas obter uma votação majoritária" e consertar o erro. Contudo, bits quânticos não podem ser copiados, Nichol diz, "então você tem que ser muito inteligente sobre como corrigir os erros. O que estamos fazendo aqui é um passo nessa direção."

Manipulando elétrons

A correção de erros quânticos requer que os qubits individuais interajam com muitos outros qubits. Isso pode ser difícil porque um elétron individual é como uma barra magnética com um pólo norte e um pólo sul que pode apontar para cima ou para baixo. A direção do pólo - se o pólo norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo - é conhecido como o momento magnético do elétron ou estado quântico.

Se certos tipos de partículas têm o mesmo momento magnético, eles não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo. Isso é, dois elétrons no mesmo estado quântico não podem ficar um sobre o outro.

"Este é um dos principais motivos pelos quais algo como um centavo, que é feito de metal, não desmorona sobre si mesmo, "Nichol diz." Os elétrons estão se separando porque não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo.

Se dois elétrons estão em estados opostos, eles podem sentar-se um em cima do outro. Uma consequência surpreendente disso é que se os elétrons estiverem próximos o suficiente, seus estados irão alternar no tempo.

"Se você tem um elétron que está para cima e outro que está para baixo e você os empurra juntos pelo tempo certo, eles vão trocar, "Nichol diz." Eles não trocaram de lugar, mas seus estados mudaram. "

Para forçar esse fenômeno, Nichol e seus colegas resfriaram um chip semicondutor a temperaturas extremamente baixas. Usando pontos quânticos - semicondutores em nanoescala - eles capturaram quatro elétrons em uma linha, em seguida, moveu os elétrons para que eles entrassem em contato e seus estados mudassem.

"Há uma maneira fácil de alternar o estado entre dois elétrons vizinhos, mas fazê-lo em longas distâncias - no nosso caso, são quatro elétrons - requer muito controle e habilidade técnica, "Nichol diz." Nossa pesquisa mostra que esta é agora uma abordagem viável para enviar informações por longas distâncias. "

Um primeiro passo

Transmitindo o estado de um elétron para frente e para trás através de uma matriz de qubits, sem mover a posição dos elétrons, fornece um exemplo notável das possibilidades permitidas pela física quântica para a ciência da informação.

"Este experimento demonstra que a informação em estados quânticos pode ser transferida sem realmente transferir os spins individuais do elétron na cadeia, "diz Michael Manfra, professor de física e astronomia na Purdue University. "É um passo importante para mostrar como as informações podem ser transmitidas pela mecânica quântica - de maneiras bem diferentes das que nossa intuição clássica nos levaria a acreditar."

Nichol compara isso às etapas que levaram dos primeiros dispositivos de computação aos computadores de hoje. Dito isto, Será que algum dia todos teremos computadores quânticos para substituir nossos computadores desktop? "Se você tivesse feito essa pergunta à IBM na década de 1960, eles provavelmente teriam dito não, não tem como isso acontecer, - diz Nichol. - Essa é minha reação agora. Mas, quem sabe?"